周贤德

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

探讨液压虚拟仿真实验教学模式

周贤德

（同济大学 机械与能源工程学院，上海 201804）

液压实验教学是机械类工科专业必修的一门专业课程，工程实践性强，受实验经费、设备损坏和老化的制约，传统液压实验存在人多设备少的缺点，不利于学生动手操作。虚拟液压实验利用丰富的计算机资源对液压元件结构进行分析和拆装以及液压回路进行设计和仿真运行，让每个学生都能参与，调动了学生的实验积极性。液压虚拟仿真实验教学模式是今后高校发展实验教学必不可少的一种方法和手段。

虚拟；液压；仿真；实验教学

0　引言

液压传动是我校机械专业必修的一门专业课程，是一门实践性较强的学科，要求学生有很强的实践动手能力。在教学大纲中，专门开设了两门实验课程，一门是《流体力学与液压传动》专业基础实验课，实验内容为液压元件的拆装、静态和动态特性测试以及液压回路工作原理；另一门是《流体力学与液压传动》专业综合实验课程，实验内容为各种典型工程液压回路的设计和搭建。由于液压元件和设备价格较高，故设备台数少，实验时学生分四组进行，每组人数为4～5人，每组只能提供1～2个元件，无法做到每个学生都可以自己动手拆装元件，部分学生就会失去兴趣，影响实验效果。

高校计算机资源非常充足，虚拟仿真实验教学方式可以充分利用计算机资源弥补实物实验教学方式的不足之处，达到两者之间相辅相成，融合促进实验教学的改进和提高。

2013年8月教育部印发了《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》（教高司函[2013]94号）[1]，正式启动了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。随着国家对虚拟仿真实验建设的重视，各高校对虚拟仿真实验室建设也逐步加大投入，可以预见，虚拟仿真实验将是今后高校实验教学重要的模式。建立虚拟仿真实验可以减轻实验教学经费的压力，做到一次性投资，永久受益[2]。

1　液压虚拟仿真实验教学模式特点

目前，我校液压实验教学分为教师讲解和学生动手实验两个环节，讲解环节采用液压元件挂图挂在黑板旁，教师进行讲解的模式，是一种静态灌输型的传统教学模式；在动手环节中，4～5个学生一组拆装液压元件，专业综合实验时，更是10人一组安装一套液压回路，结果导致了实验时只有个别学生动手操作，大部分学生围观的现象，影响学生的积极性和实验效果，这种实验模式不利于多数学生理解和掌握液压知识在实践工程中的应用，造成学生毕业后，实践能力弱，不能较快满足企业岗位要求。

虚拟仿真实验是以计算机仿真技术、多媒体技术和网络技术为依托而建立的一种新型实验教学系统。高校虚拟仿真实验教学是当前高校实验教学发展的方向，是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。

液压虚拟仿真实验是液压元件为实验对象，结合计算机信息技术和数字化技术为特点的虚拟化、网络化实验教学。通过虚拟仿真技术可以形象地展示液压元件的工作原理、动作演示过程，构建液压元件的三维视图以及零部件组装图、内部结构图、剖视图、透视图和运动视图。

通过虚拟仿真试验系统，每个学生都可以动手拆装液压元件、设计液压回路，动态模拟液压回路工作过程，实时模拟显示流量、压力和温度等实验数据，丰富了实验教学形式，提高学生对液压传动理论相关知识的理解，促进学生实践动手能力。

2　液压虚拟仿真实验教学内容和方案

液压传动是一门工程应用性很强的学科，实验是学生理解液压传动理论知识的重要途径。液压元件种类繁多，工程应用范围广泛，在设计实验教学内容和方法时要融合理论课的内容，根据液压传动教学大纲的要求，精心选取实验对象和工程典型应用案例，构建实验内容，然后根据实验内容，设计实验方法和步骤。

2.1实验教学内容

根据液压虚拟仿真实验教学的特点，实验可以分成以下五个内容：

1）实验前的理论知识准备；

2）虚拟拆装液压元件，掌握液压元件的结构和组成，分析液压元件的工作原理、作用和影响液压工作效率的因素；

3）液压仿真软件的操作；

4）根据液压典型工程应用要求，设计液压及控制回路，选择合适的液压元件搭建回路；

5）对回路进行仿真，观察并记录实验过程中各种参数的数据，分析数据，查找问题，提出改进设计方案并重新实施；

6）分析实验数据，总结实验方法，查阅相关文献，撰写实验报告。

实验中学生要应用液压传动基础知识对研究对象的结构特性、作用和功能做详细的分析，并在此基础上设计液压回路原理图，结合实验内容要求，设计初始液压回路方案。熟练掌握液压仿真软件的操作，选取液压仿真软件元件库中的相关元件搭建液压回路，并进行仿真模拟运行，分析实验数据和实验现象，不断改进和完善液压回路。正由于虚拟仿真技术的特点，回路的搭建非常方便，简化了实验操作，充分体现了液压虚拟仿真实验的优越性，达到每个学生都能自己动手进行实验操作的目的。实验内容的前3部分主要是训练学生能够运用已经学过的液压专业理论知识来掌握液压元件的结构、工作原理、功能应用；第4部分是学习并熟悉液压仿真软件操作，为液压回路设计奠定基础；最后2个部分设计液压回路和分析实验结果，目的是通过回路设计、实验仿真、分析实验现象和数据来解决实验过程中的实际问题，使学生通过典型液压回路设计模拟现场液压工程应用，形成工程意识，培养学生的工程应用能力。通过对实验结果的理论分析和深入研究，让学生学会查阅相关文献资料，广泛阅读，扩展知识面，了解液压工程应用和研究前沿知识，利用文献资料提出解决液压工程应用的新思路，并从中学到解决实际工程问题的思维方式和研究方法，激发学生探索科学真理的积极性[3]。

2.2实验对象选择

液压元件种类繁多，实验要依据教学大纲要求，结合实际工程应用，制定合适的实验内容，根据内容和课时数来选择实验对象，液压虚拟仿真实验可以分成课内实验和课外实验两种形式，典型液压元件课内完成，辅助液压元件课外练习，这样既可以完成实验教学大纲要求，又能拓展学生的知识面。

在液压传动中，液压元件一般分为：

1）动力元件（齿轮泵、叶片泵或柱塞泵）。

2）执行元件(油缸或液压马达）。

3）控制元件（液压换向阀、单向阀、溢流阀、减压阀、顺序阀、节流阀、调速阀、比例阀和伺服阀等）。

4）辅助元件（油管、接头、滤油器、蓄能器、油箱、密封件和热交换器等）。

5）动力传输介质（液压油等）。基本液压回路有：1）压力控制回路；2）速度控制回路；3）方向控制回路；

4）多执行元件控制回路。

在液压虚拟仿真实验中，液压回路的构建非常方便，因而可以对以上这些典型回路进行仿真实验。

2.3实验方案设计

液压虚拟仿真实验的特点就是充分利用计算机的资源优势，通过三维图形仿真来虚拟拆装液压元件，让学生了解液压元件的结构、零部件组成、工作原理和作用，图1为齿轮泵。

图1　齿轮泵三维图

然后再通过FluidSIM、Automation Studio、AMESim和MATLAB等仿真软件进行液压回路设计、调试和仿真运行，其实验教学方法和步骤应有区别于传统液压实验教学模式。根据其特点现将实验方案实施流程设计如图2所示。

根据实验方案实施流程，分别为：实验前液压基础理论知识与液压仿真软件的预习；实验对象结构分析、虚拟零部件拆装、结构组成及功能分析；液压回路设计及仿真；实验效果分析讨论；改进设计及实验仿真；完成实验报告和拓展研究。流程之间成因果链条关系，缺一不可。实验中要用到液压与控制等基础理论知识和专业理论知识，对实验前的知识准备和实验中的知识综合应用能力要求较高。因此，实验教学安排以集中和分散形式的实验课前准备和课内、课后分析讨论很有必要。在整个实验过程中，必须先进行液压元件拆装基础实验，学生先了解元件的结构、工作原理和功能等专业基础知识，然后才能进行液压回路设计和仿真运行的专业综合实验。专业基础实验和专业综合实验的时间间隔为两周，目的是让学生有充分时间设计液压回路的实验方案、选取合适的液压元件并进行分析论证和完善实验方案。

实验要求学生个人独立完成，分组分析和讨论组内每个同学的设计和实验结果，这样有利于培养学生集思广益、取长补短的思路和工作协作精神。在实验过程中，教师的目标就是引导学生深入思考一些典型液压回路在实际工程中的应用问题，激发学生的发散性思维，加强学生之间以及师生间的思维碰撞，在组织形式上使每个学生都自觉或不自觉地参与到整个实验的过程中，培养学生的团队合作精神。

3　结束语

液压虚拟仿真实验对液压专业理论知识、工程应用、液压仿真软件和计算机知识具有高度的综合应用特性，实验对教师和学生都提出了较高的要求，需要教师和学生积极配合和相互合作才能达到实验的目的，因此，如何调动学生的实验积极性成为实验结果质量高低的关键。液压虚拟仿真实验实现了学生人人动手操作完成整个实验过程的跨越，没有出现实验过程中部分学生围观的现象，极大地提高了学生参与实验的积极性。为了结合实际工程应用，我们采用了把虚拟仿真和传统实物相结合的实验教学方法，学生通过虚拟仿真的方法了解了液压元件结构、功能和液压回路的设计及实验仿真，再用实物搭建液压回路进行验证，这样增加了液压虚拟仿真实验，压缩了传统实验教学的时间，反而比原来单独采用传统实验教学模式取得了更好的效果。

[1] 中华人民共和国教育部.关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知(教高司函[2013]94号)[Z].2013.8.

[2] 徐进.2013年国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作小结及2014年申报建议[J].实验室研究与探索,2014,8.8.

[3] 郭瑞琴,周贤德.拓展型生产线规划实验模式探索[J].实验室研究与探索,2011,12(30)：12.

Discussion on the teaching mode of hydraulic virtual simulation experiment

ZHOU Xian-de

TP39

A

1009-0134(2016)07-0034-03

2016-05-06

同济大学第十期实验室教学改革项目（2014年11月立项）

周贤德（1968 -），男，湖南道州人，硕士，主要从事开放式数控和运动控制、图形数字化工程应用、虚拟数字化实验教学研究。